主板芯片组和内存映射

我将写一些关于计算机内部的文章，目的是解释现代内核的工作原理。
我希望对那些对这些东西感兴趣但没有经验的发烧友和程序员有用。
重点是Linux，Windows和Intel处理器。
内部结构对我来说是一种爱好，我已经编写了很多内核模式代码，但是有一段时间没有这样做了。
第一篇文章介绍了基于Intel的现代主板的布局，CPU如何访问内存以及系统内存映射。

首先，让我们看看当今的英特尔计算机是如何连接的。
下图显示了主板中的主要组件和可疑的颜色味道：

现代主板的示意图。
北桥和南桥组成芯片组。

当您查看此内容时，要记住的关键是CPU对连接的东西一无所知。
它通过自己的别针与外界对话，但并不关心外界是什么。
它可能是计算机中的主板，但也可能是烤面包机，网络路由器，大脑植入物或CPU测试台。
CPU与外部进行通信的主要方式有三种：内存地址空间，I / O地址空间和中断。
我们现在只担心主板和内存。

在主板中，CPU通往世界的网关是将其连接到北桥的前端总线。
每当CPU需要读取或写入内存时，都会通过此总线进行。
它使用一些引脚发送要写入或读取的物理内存地址，而另一些引脚发送要写入的值或接收要读取的值。
英特尔酷睿2 QX6600具有33个引脚来传输物理内存地址（因此有2 ^ 33 ^个存储位置选择）和64个引脚来发送或接收数据（因此数据在64位数据路径中传输，或8个字节的块）。
尽管大多数芯片组最多只能处理8 GB的RAM，但这使CPU可以物理寻址64 GB的内存（2 ^ 33 ^个位置* 8字节）。

现在问题来了。
我们习惯于仅根据RAM来考虑内存，而RAM程序则一直在读取和写入数据。
实际上，处理器的大多数内存请求都是由北桥路由到RAM模块的。
但并非所有人。
物理内存地址也用于与主板上的各种设备进行通信（此通信称为内存映射I / O）。
这些设备包括视频卡，大多数PCI卡（例如，扫描仪或SCSI卡）以及存储BIOS的闪存。
当北桥接收到物理内存请求时，它会决定将其路由到何处：它应该进入RAM吗？
显卡也许？
此路由通过内存地址映射决定。
对于物理内存地址的每个区域，内存映射都知道拥有该区域的设备。
地址的大部分被映射到RAM，但是当地址不是映射时，内存映射会告诉芯片组哪个设备应该为这些地址的请求提供服务。
内存地址与RAM模块之间的这种映射导致PC内存的经典漏洞在640KB和1MB之间。
当内存地址保留用于视频卡和PCI设备时，会出现一个更大的漏洞。
这就是为什么32位操作系统在使用4 GB RAM时出现问题的原因。
在Linux中，文件/ proc / iomem巧妙地列出了这些地址范围映射。
下图显示了英特尔PC中前4G物理内存地址的典型内存映射：

英特尔系统中前4 GB的内存布局。

实际地址和范围取决于计算机中使用的特定主板和设备，但是大多数Core 2系统都与上述情况非常接近。
所有棕色区域均映射为远离RAM。
请记住，这些是主板总线上使用的物理地址。
在CPU内部（例如，在我们运行和编写的程序中），内存地址是逻辑的，在总线上访问内存之前，它们必须由CPU转换为物理地址。

将逻辑地址转换为物理地址的规则很复杂，并且取决于CPU运行的模式（实模式，32位保护模式和64位保护模式）。
不管转换机制如何，CPU模式都会确定可以访问多少物理内存。
例如，如果CPU在32位模式下运行，则它只能以物理方式寻址4 GB（嗯，有一个称为物理地址扩展的异常，但现在忽略它）。
由于前1 GB左右的物理地址已映射到主板设备，因此CPU只能有效地使用约3 GB的RAM（有时更少-我有一台Vista机器，只能使用2.4 GB）。
如果CPU处于实模式，则它只能寻址1 MB的物理RAM（这是早期Intel处理器能够支持的唯一模式）。
另一方面，以64位模式运行的CPU可以物理访问64GB（尽管很少有芯片组支持那么多的RAM）。
在64位模式下，可以使用系统中total RAM上方的物理地址来访问与主板设备窃取的物理地址相对应的RAM区域。
这称为回收内存，它是在芯片组的帮助下完成的。

这就是我们下一篇文章所需的全部内存，它描述了从加电到引导加载程序即将进入内核的引导过程。
如果您想了解更多有关此内容的信息，我强烈建议您参阅英特尔手册。
总体来说，我非常了解主要资源，但是特别是Intel手册写得好并且准确。
这里有一些：

英特尔G35芯片组的数据表记录了Core 2处理器的代表性芯片组。
这是这篇文章的主要来源。

英特尔酷睿2四核Q6000序列数据表是一个处理器数据表。
它记录了处理器中的每个插针（实际上并没有很多，将它们分组后，实际上没什么用了）。
令人着迷的东西，尽管有些奥秘。

英特尔软件开发人员手册非常出色。
他们远离神秘的事物，很好地解释了有关该架构的各种事情。
第1卷和第3A卷的内容不错（不要用名字来拖延，“卷”很小，可以有选择地阅读）。

PádraigBrady建议我链接到Ulrich Drepper关于memory的出色论文。
好东西
我在等待有关内存的文章中链接到它，但更多的是快乐。